DE1544224A1

DE1544224A1 - Siliziumdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1544224A1
Application number: DE19641544224
Authority: DE
Inventors: Eishun Kimura
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1963-09-28
Filing date: 1964-09-25
Publication date: 1970-10-01
Also published as: GB1079914A; DE1544224B2; US3332810A; NL6411263A

Description

PATENTANWÄLTE

. H. LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN

PoiUcfwdc-Konto: Bank-Konto: Tsleisn Tal.-Adr.

Mündi.n 22045 Dr.fdn.r tank AG. MiindWR (llf 1} 2I1f 3f UiBfWt MlBCbm

München 2, Marl«np!a!i. Klo.-Nr. 927W

1 5 Λ / ^ ^ / ^s Mönchen 2, Rosenlal Ί, 2.

((Cuiiermann-Pasiage;

d_en 25, Juni 1989 P 15 44 224.7 .M 62 575

7/Pi Arn

MATSUSHITA ELECTBONICS ... "^/ra' ^fl0

Siliziumdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Siliziumdiode 5&i^-5 einer p-n-Übergangsschicht und auf ein Verfahren eu ihrer Herstellung.

Siliziumdioden habsa gegenüber Liipferoxydul- und gegenüber Selengleichrichtern den Vorteil einer höheren zulässigen Stromdichte und einer höheren Grenze ihrer Arbs.Ustemperatur. Is sind polykristalline und mono^ristalline Sil:Uiuisdioitdn 'bekannt.

Aus.3inkris£allen bestehende SilliJuidioäen ;?ind iix einem großen Leiterqtisrschnitt nur unter erhsblishea Earstellungskosten zu erzeugen«. Die Stroibelaetbarkeit eines Slsiehrlchtarelesssts ■ist asr Größe der monGkri3tallinen BmLoplattö p-v-yi-rtionai. Ss ist aashalb 7§rhältalsiä£ig teutr_f f;\l·:··» «,.c;dsn ::,·:■ t hoher 5trom~ belastbarkeit herstt»telltn.

tiss «rhuhte iJr«s&at-Strasli,l&»;kb*rkofi'. .,» eiai*l?.-Lj ist •ι auch bftaai, tiiiä.Xthrzchl ■onokri&-ialli:r*ss^t ;>iliaiuidiw,.en in iltktrisohf? Fe&lltlEsiiftltung zu kcsbiii.tersL iü-irbti $;'g

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Λ Ö 6 ί 4 0" / 0 1 S Γ · ■ BAD OHlQlNAL ... .

Dioden Oberflächen-Kriechströme auf, die zur Verschlechterung der elektrischen Gesamteigen schaft des Gleichrichtersatzes führen und außerdem auch die Lebensdauer der Dioden verringern, da durch sie eine ungünstige Wirkung auf an der Oberfläche vorhandene Substanzen und Gase entsteht.

Es sind andererseits Kristallgleichrichter aus polykristallinem Silizium bekannt, bei denen das polykristalline Ausgangsmaterial nicht vollständig gereinigt war und einen hohen Anteil hochkonzentrierter Verunreinigungen sowie häufig einen sehr niedrigen Wert für die Durchbruchspannung in Sperrichtung aufwies. Ss ist äußerst schwierig, das Verhalten derartiger Materialien bei der Herstellung zu beeinflussen. Weiterhin ist es bekannt, daß durch Reduktion oder thermische Zersetzung einer silisiumhaitigen Verbindung, wie Siliziumtetrachlorid, Trichlorsilan, Silan oder Siliziumjodid, eine polykristalline Siliziumplatte mit Crleiehrichterwirkung entsteht. Solche polykristallinen Siliziumdioden lassen jedoch einen erheblichen Sperrstrom durch und werden deshalb in der Praxis kaum angewandt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen billig herstellbaren Siliziumgleichrichter mit erheblichem Leiterquerschnitt i?xd damit mit hcter Strosbelastbarkeit heraus teilen, derec Sperrstrom und deren Sperrspannung sufridenatellenae Werte t Solche Gleichrichter werden insbesondere für Anwen-

bei.tigt, bei denen am Gleichrichter eine mäßige Spannung aßlidirt, ; ο daß nur eine dünne p-n-tlbergangsschieht vorliegt, * der aber a.Uen erheblichen Stross führen soll» beispielsweise in der St^ossraeugungsanlage von Kraft fahr saugen, die als Lichtmaschin« tvxm Drehstromgenerator haben.

6 0 4 0/3100

BAD ORlGtNAU

j aus, daß sie aus polykristallinem Silizium aus etwa parallel zueinander liegenden langgestreckten Kristallen besteht, die etwa senkrecht zur Ebene der p-n-Übergangsschicht ausgerichtet sind. Die erfindungsgemäße Diode besteht also weder aus Einkristallmaterial noch aus polykristallinem Halbleitermaterial mit wirrer Kristallstruktur, sondern aus polykristallinem Silizium mit faserartig langgestreckten, etwa parallelen Kristallen, Sie ist etwa vergleichbar einer Vielzahl von in einem einzigen Gleichrichterkörper zusammengefaßten parallelgeschalteten Einkristalldioden.

Bei der Herstellung von ausgerichtetem polykristallinem Siliziummaterial, wie es in der erfindungsgemäßen Diode verwendet wird, besteht praktisch keine technische Grenze für die Größe des Querschnitts und damit auch nicht für die Strombelastbarkeit einer Diode. Andererseits bietet die erfindungsgemäße Diode keine vergrößerte Seitenfläche, die der Außenluft ausgesetzt ist und Kriechstrom führt. Der an den miteinander verbundenen Seitenflächen der einzelnen Kristalle auftretende Kriechstrom ist vernachlässigbar gering. Die erfindungsgemäße Diode ist einer monokristallinen Diode insofern vergleichbar, als ihre gleichrichtenden Eigenschaften bei der Herstellung ganz exakt gesteuert werden können.

Erfindungsgemäß werden die Dioden so hergestellt, daß man eine Stange aus polykristallinem Silizium, dessen Kristalle langgestreckt und in Längsrichtung ausgerichtet sind, in an sich bekannter Weise quer zur Kristallisationsrichtung in Scheiben ! schneidet und die Scheiben von einer Schnittfläche her mit einer \ Verunreinigung üotiert, deren Leitfähigkeitstyp dem des poly- j kristallinen Siliziums entgegengesetzt ist. Hierzu wird vorzugs-i

009840/-0160 -4-

weise ein Silizium mit einem Verunreinigungsanteil eines Leitfähigkeitstyps von maximal 1 : 1000 000 verwendet.

Zweckmäßigerweise wird die Stange aus polykristallinem Silizium mittels des an sich bekannten Zonenschmelzverfahrens unter Verwendung eines polykristallinen Keims hergestellt; dieses Verfahren ist zu bevorzugen etwa gegenüber dem Vakuumniederschlag oder dem Niederschlag aus einer gasförmigen Phase, bei denen im allgemeinen polykristallines Silizium in Form eines komplexen Aggregats aus sehr kleinen Kristallkörnern entsteht. Für die Erfindung sind jedoch gewachsene oder aus Silizium in der flüssigen Phase verfestigte Kristalle erstrebenswert.

Zur Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, das Siliziummaterial von bellen Seiten her mit Verunreinigungen einander entgegengesetzten Leitungstyps zu dotieren. Hierdurch wird die Leitfähigkeit verbessert, was insbesondere für Hochstromdioden von Bedeutung ist. Als günstigstes Dotierungsverfahren wird das Diffusionsverfahren angesehen. Die Verunreinigungen haben jedoch hierbei die Tendenz, sich überwiegend in den Grenzzonen zwischen den einzelnen Siliziumkristallen anzusiedeln. Damit sich die Verunreinigungen möglichst gleichmäßig in der ganzen Siliziummasse verteilen, werden die Verunreinigungen vorzugsweise bei einer Maximaltemperatur von 134O⁰C eindiffundiert, und zwar vorteilhafterweise mit einer maximalen Diffusionszeit von 100 Stunden. Optimale Herstellungsbedingungen ergeben sich* wenn die Verunreinigungen

T t

bei einer Temperatur tüW und einer Diffusionszeit r eindiffundiert werden, wobei

T* (1280 - 70 log t). 009840/0160 ' .5.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild einer elektrischen Parallelschaltung herkömmlicher Einkristallgleichrichterelemente,

Fig. 2 eine schematische Darstellung für die Anwendung polykristalliner Gleichrichterelemente nach der Erfindung,

Fig. 3a, 3b, 3c, 3d und 3e je eine schematische Darstellung der aufeinander folgenden Stufen eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung mit einem polykristallinen Gleichrichter aus einer polykristallinen Siliziumstange vom Typ η mit nicht geradeaus gerichteten Polykristallen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Mikrostruktur des Gleichrichters im Querschnitt durch die in seinem Innei ren entstehende p-n-Verbindungsschicht, ;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung 'einer geradeaus gerichteten polykristallinen Siliziumstange, welches das Wachstum der Kristalle in ; praktisch nur einer einzigen bestimmten Richtung umfaßt,

Fig. 6 die Ansicht eines Querschnitts durch ein geradeaus gerichtetes polykristallines Gleichrichterelement, wobei der Schnitt durch die in diesem geformte p-n-Verbindungsschicht hindurchgeführt ist. Fig. 7 die Ansicht eines schematischen Schnitts durch eine polykristalline Stange, in welcher die Ränder des einzelnen Korns nicht nur in der speziellen Richtung

009840/0160 -6-

des Kristallwachstums fortgeschritten sind, sondern auch quer zu dieser Richtung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Kornanordnung in dem polykristallinen Gleichrichterelement relativ zu der p-n-Verbindungsschicht, die in diesem Element hergestellt worden ist,

Fig. 9 die schematische Ansicht eines Querschnitts durch einen polykristallinen Gleichrichter mit der Anordnung der Umrißlinien des Korns relativ zu der p-n-Verbindungsschicht,

Fig.10 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Dicke der Sperrschicht an der p-n-Verbindungsschicht und der angelegten Spannung für verschiedene spezifische Widerstände,

Fig. 1.1 eine Erläuterung einer Ausführungsform der p-n-Verbindungsschicht in dem polykristallinen Gleichrichterelement, die durch Diffusion im festen Zustand gebildet ist,

Fig.12 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Diffusionsgeschwindigkeit und der wechselseitigen Temperaturen für die Diffusion an den Korngrenzflächen und für die Diffusion in der Gesamtmasse, j

Fig.13 die Ansicht eines Querschnitts durch ein polykristallines Element nach der Erfindung, die schematisch , die Bildung einer p-n-Verbindungsschicht zeigt, die durch Diffusion von Verunreinigungen eines Leitfähig- ; keitstyps entsteht, welcher demjenigen des polykristaV linen Materials entgegengesetzt ist,

Fig.14 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischer

009840/ 0 1 60 -7-

der Flächenfunktion und der Diffusionszeit bei verschiedenen Diffusionstemperaturen,

Fig.15 ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen der Diffusionstemperatur und der Diffusionszeit für verschisfene Werte der Flächenfunktion für Bor und Phosphor wiedergibt,

Fig.16 die Ansicht eines schematischen Querschnitts durch einen Siliziumgleichrichter, der Bor und Phosphor enthält, die in die einander gegenüberliegenden Seiten der Siliziumbasis vom Typ η eindiffundiert worden sind und der einen spezifischen Widerstand von 50 0hmcm hat,

Fig.17 ein Beispiel für ein polykristallines Siliziumgleiehrichterelement nach der Erfindung,

Fig.18 eine schaubildliche Darstellung der elektrischen Eigenschaften des Gleichrichterelements nach Fig. 17 und

Fig.19 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer elektrischen Stromerzeugungsanlage für Kraftfahrzeuge mit einer Anzahl von Gleichrichterelementen nach der Erfindung.

Aus den Fig. 1 und 2 läßt sich ein Vergleich für die Herabsetzung des Oberflächenbereiches und der Kriechströme bei einer Vorrichtung mit polykristallinen! Gleichrichter nach der Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Einkristallgleichrichtern ablesen. Fig. 1 zeigt die Anwendung einer Vielzahl üblicher Einkristallelemente in elektrischer Parallelschaltung, wobei die Pfeile den Oberflächen-Leckstrom i η bezeichnen, der an · jedem einzelnen dieser Elemente auftritt. Andererseits tritt im Falle der Verwendung eines Elementes mit ausgerichteten PoIykristallen erfindungsgemäß, wie Fig. 2 zeigt, ein Leckstrom

009840/0160 ~^ö-

i ,, nur an "der Seitenfläche der gesamten Gleichrichtervorrichsi

tung auf. In diesen beiden Figuren ist durch den gestrichelten Linienzug die p-n-Verbindungsschicht angedeutet, die in der Siliziumbasis oraeugt wird.

Der Hauptunterschied zwischen einem Einkristall und einer polykristallinen Substanz ist darin zu sehen, daß letztere aus zusammengefügten Einkristallen besteht und zwischen den einzelnen Einkristallen sogenannte interkristalline oder Korn-Hand ζ on en vorhanden sind.

Durch eingehendes Studium der Auswirkungen der Handzonen auf die gleichrichtenden Eigenschaften und auf die Diffusion von Verunreinigungen ist ein geradeaus gerichtetes polykristallines Material gefunden worden, welches sich mit Vorteil zur Herstellung von Gleichrichterelementen auf kontrollierbare Art und unter industriell und wirtschaftlich tragbaren Bedingungen verwenden läßt.

Einer der bedeutendsten Unterschiede hinsichtlich des elektrischen Verhaltens zwischen einem Einkristall aus Silizium und polykristallinem Silizium besteht darin, daß die Lebensdauer von Minoritätsträgern in dem polykristallinen Silizium sich zu ungefähr 1/10 oder weniger der entsprechenden Menge in dem Einkristall ergab.

-9-

0098^0/0160

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Xn Transistoren beeinflußt die lebenadauer das Verboltnis der "inoritütstrüger, die den kollektor erreichen, zu denjenigen, die enittiert werdea, und bildet damit einen der Faktoren, welche die οtromverstärkung des Transistors bestimmen, «uhrend die 5tron-3pannungskeonlinie eines Gleichrichtera innerhalb seiner ungekehrten Γ-urchbruchßspannung durch folgende Gleichung gegeben ist;

i - I_a (eXpg- 1), (1)

in »eichtr V die angelegte Spannung, k die Boltsraann'acho Konstante und ? die absolute Temperatur iat. Ferner gilt die Gleichung: ι

in «cipher P_n die lochdichte in Bereich des Typs n_r D die
looh-Diffuaionakonetante, ^ die Lebenodauer der Lcichex, K die Elektronendiohte im Bereich des Typs p, D_n die Iliktroneo-Diffusionskouotante und ·_ die Lebensdauer der EloktrcueD ist«

Wie r*aü diesen theoretischen Formeln tütnßhncu kann, iat

die Strombelastbarkeit oder Stromkapazitüt ein ,^! ^!il ei ^bricht cr-•lenentes aus eiuera »iaterial mit WinorltätsiTi^iiü, il® la ihrer Lebensdauei begrenst sind, alao bdiepielsveitt^ *λ Fall· "?oa

polykriitalllam Siliiiua/I mal so, grsß-'u -. fu,; Iu-- gleich· a»- gelegti Spaasaag_# lißß K dtn

darst$llie

* ^{ll äi} BAD ORIGINAL

.10-

Sperratroracs, und vemutlich war dien auch der Grund, warum man Hoher kein poljkristallincs Material sondern ein oonokristalliües Material für Gleichrichterelemente benutzt hat·

ist aber gefunden wordea, daß die oben orvUhnten Nachteile» die den üblichen polykristallinen Siliziunciaierial anhaften, durch die Verwendung ausgerichtete» polykristallinen Siliziuns vollständig vercieden werden können» vie in folgenden noch näher beschrieben wordea soll. In folgenden soll das Wesen der Krfladung zunächst durch Schilderung dea tfegea erläutert verden, den der Erfinder beschritten hat» ua su der Erfindung su gelangen*

Eine Scheibe ait einer Llcke von 320 Mikron luxde von einer Stange einer bestirnten Art von Silizium (Fig«3&) von Typ η polykristallinen Siliziums abgeschnitten« und mm hat hierauf in die Scheibe bis zu einer Dicke von 60 Mikron Phosphor aas einem Dampf von P₂Oe (Fig*3b) In die Scheibe hineintUffundiert. Anschließend wurda eine Obarfläch« der Scheibe Ha zu einer Tief· von 80 Mikroä (Flg,3e) abgetragen« Bieas so freigelegte Oberflüche iurd^ daun mit Ibrtmlijdrid (ly)^} über«ag«n, ua ein Eindifi'u&dieren in die Scheid« aia ta cmttx Tiafva foa 60 Mikron iu •rjsiolen (fig^d). Hieraus? tarao die Scheibe geläppt, isa eine ■ Oberfiäohenocliioht von iiaa*¹ Stüxlc· voa 20 Miteon auf oeidee S#ltea abssutraßen, so daß man «in· endgültige Sohel^indlök« ton 200 liitafon «xhielt (Flg.3·).

a Κ· Ά-Ί plattiert nnä sue C^?*

BAD ORIGINAL

Scheibe wurde ein Elcncnt nit den Dimensionen 4 πal 4 φώ herausgeschnitten, un ein einzelnes Gleichrichter el er. cut ri ^eiii

Dieaes GleicbrichtcrclcncLt zzigta Verh&ltniiKsUi'lg gute Gleichrichtereigenschaften trotz der Tatsache» d&ß ea sieli ua einen polykristallinen Gleichrichter handelte«

Vergliche»^H Gl
neci Siliziun dea-Typs n_t die unter den gleichen HcrstcJlungsbe· dlnguftgen gewönne;'?, i-uraca mii^ti urA d'.-ΐ (;T'ivbcr. ⁷Un'-.-.SiOr^r, aufwiesen, zeigt« daa se .^ονοπαθηβ püiykrJLbtai'ilne bifcncai üiö folgenden Unterticbf. t,^c n

ele^cnt, d«ie durch d:'.Go«?n ersteL Versuch gewoaneu v;*r'..^, c.r'f.6 p-n-Sohiüht in Innere, di^ durch diffusion in festem 2.i<?tani gebildet ViQr,. bei der gleichen er^clcgten SpaaiHUi^ *ίΐαοη iau-i^ren Rert für den Sperrstron vorßlichen.nit demjenigen einei "innokriatallinen Sili^iuaglcic'irichtcrclonontoQ gleicher Λΐ,'ίύο,η^βη, welchea unttr den gleichen Kirstcllunüsbcdingunjen geTsonnon worden* war· Da3 polykriatalline Element zeigte auch einit Stromspannungs-Gperrcharnkterifltik, die im Eereich der üurchbruchuapannung auf der Kennlinie et^as schrußcr verlief, oo daß aiah ein Bogenanntcr "reicher" Verlauf zeigte und außerdem eine Kennlinie für den Yorwilrtsstrom, die einen ausreichenden Anstieg des Anfangsetroms, ober tinea ct\»a3 kloinercn Wert Ιτη Bereicli für die hühcren Ströme zeigte. Man kann dierjQ experi-rscntlellcn Ir- gebnlaee durch * ■■■-.■ ■?'■■■■ lache )''Pi'^:.::U;ir:·. :.■ er"¹ '.r*ez_: '!·*·■*■ ''

BAD ORIGINAL

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dcn Wirkungen der Form der Dioden-Kennlinien für die begrenzte Lebenszeit der Minoritatstrügcr in dem polykristallinen Gleich« richternateriol ergeben·

Außerdem hat eine mikroskopische Betrachtung der Struktur des polykristallinen (ileichrichters, insbesondere in Bereich der p-n-Schicht, folgende Tatsache aufgedockt.

In Fig. 4 bezeichnet dr.r schraffierte Bereich die Sperrschicht an der p-n-Verbindungssteil©, während die stark ausgesogenen Linien deo interkristallinen Bereich oder die fiandzonen der Körner in dem polykristallinen Plättchen darstellen·

In dieser Figur ist der Abschnitt AB besonders zu beach» ten, veil an dieser Stelle ein Teil der Kandaone desKörnchens su beobachten ist, der durch die Sperrschicht praktisch parallel zu ihrer i.bcne hindurchgeht· Es ist gefunden «orden, daß eine «dedcrvcrciniguD/j der "inori tut ent rager in der Sperrschicht an dieser p-n-Verbindunsastelle, die hauptsächlich infolge des Vorhandenseins der Kornrands-'onen in diesen Abschnitt auftritt, die Versohlechteirung der Gleichrichtcreigenschaftcn herbeiführt.

Aus UnUrauchuAuen, die ran in den anderen Glciohriohtcrabschnitten durchgeführt hat, in μeichca die I&ndzonen der Körnchen oich praktisch senkrecht zu der ^bcne der p-n-Scuicht erotreckcn, hat sich amlercrncita ergeben, da3 diese Abeohnltte keinerlei merkliche Differenz in den gleichrichtenden Ligen-

schäften gegenüber monokriBtallinen Gleichrichtern seigen·

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Schließlich ist noch gefunden worden, daE polykriotallino Gleichrichtereleroente zufriedenstellende Eigenschafton aufweisen können, solange die landzonen der Körnchen sich praktisch senkrecht zu der Diene der p-n-Schicht erstrecken· Hieraus hat der Erfinder nit Hecht den Schluß gezogen» daß non gute Gleichrichter elemente aus einen polykristallinen Material inner dann erhalt, vena die einzelnen Kristalle in den Material in einer Richtung zueinander ausgerichtet sind, die praktisch senkrecht su der Ebene der p-n-Verbindungsschicht in dea Material verläuft·

Es ist allgemein bekannt, daß beim Verbleiben von Silizium Id teilweise geschmolzenen Zustand und bei Abkühlung mit einem passenden Temperaturgradient en die feste Phase des SiIiziuaa In Richtung des Tenporaturgradienten zuniwat. Man muß daher beachten, daß durch Verschiebung des Bereiches des Schmelzflusses in Richtung dea Temperaturgradienten ein ausgerichteten polykristallin·« Siliziua gewonnen wird, welches lUngUohe KrI-stalle enthillt, dl· in dieser Richtung liegen· Mit anderen Worten, es können dl· Randzonen der Körnchen bei den Verfahren des Waohituas einer Stange aus polykristallin«! SilUiua so ausgerlohtet SeIn₉ daß sie eich in der Längsrichtung der polykristallinen Stange erstrecken, vena man das Material aus der flüssigen Phase abzieht, so daß »an sin· progressive Verfestigung erhält« vl· si· in Fig. 5 sobeaatisch dargestellt ist· ,

5 siigt «in· Stange H aus polykristallin« Siliiius» WA A gibt 11· Äohtung tn, Ia veloher to «fttttltl fUx

BAD OBI

009840/0160 . . ~¹⁴

die Zwecke der progreaoivea Verfestigung nach oben gezogen wird· Mit B sind die interkristallinen Zonen oder üandzonen des Korns bezeichnet, nährend S die Ebene kennzeichnet» parallel zu der die Stange in Scheiben geschnitten wird. Pieaes Verfahren basiert im wesentlichen auf dem gleichen Prinzip vie die bisher bekannten Schiebe- und Abziehverfahren» ist aber technologisch viel einfacher und bequemer» veil es nicht erforderlich ist» einen Einkristall über den ganzen Querschnitt zu formen·

Von der auf diese Weise gewonnenen polykristallinen Stange vird eine Scheibe lungs einer Ebene abgeschnitten» die senkrecht zur Wachst ausrichtung verläuft» die ihrerseits Bit dem Pfeil A bezeichnet ist (d.h* also parallel zu der Ebene S in Fig· 5)· Verunreinigungen einer Art» die stromleitend sind» und deren Stronleitfühigkeit derjenigen des polykristallinen Materials entgegengesetzt ist» werden durch Diffusion Io festen Zustand in die Sohcibeoflüche eindiffundiert, ua eine p-n-Schicht zu bilden· Das Gleichrichterel en ent, velches so hergestellt worden ist, besitzt die Randzonen B an jeden einzelnen Kpxp« die eich durch die Sperrochicht B der p-n-YcrbinAungsstelle parallel su dieser crotreckt, vie ' ■- Fig. 6 zeigt, und besitzt elektrisch· Eigenschaften, die praktisch denjenigen eines ionokristallinen OloiohriohtcrelOfflentes gleichkommen. ι

Es ist ferner gefunden «orden, daß selbst in den Füll«, in denen die obigen Voraussetzungen nicht vollständig erfüllt •iod, tin polykristalline· Oleichriohtereleaint gevonnen ter

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kann, vclchoo praktisch die gleichen elektrischen Ligennchaften aufweißt vic ein nonokristallinca Gleichrichtereleracnt solange die folgenden zusätzlichen VorausSetzungen und Bedingungen erfüllt sind.

Fig. 7 zeigt eine Form des polykristallinen Wachstums,

bei der die Kornränder oder Kaiidsoucn B sich nich* aux in dsr Wachstumsrichtung A über die genagt*? Xüsge der Slnngc ken, Tiolüiehr finden aich ia dtx k'iite ihzu» Z^^^^ auch quer?erlaufende Randgebiete. Bei der Herstellung ton Cloiehrichtcroleincatcn ü^:; derartigere pcIjL* 1:^11*-;^ ^?fst?riol hat dio Cx3'.^:e der KxiöialiküruciiCü tine erhebliche üedeututig.

· 8 erliiutart diese Vcrhültnisse uiitcx der einfachsten Fernu FvIr di.o ifwt^kc dci ""leichtcTui^ der Berechnung ist hier anccnoancß« daß die KristaHküinex^: in horlsor«- talcr und vertikaler ßichtuty identische Ateflsnur^r-n G aufaeieen·

In Fig. 8 bezeichnet der schraffierte Boreich D die Sperr schicht on der p-n-Vcr"bindungteile, welche die Dicke d hat· Die T/ohrschcinlichkeit p, mit welcher sich die Kornxundcr B la Bereich der Sperrachicht an der p-n-Vexhiodungssteile parallel SU diener Schicht erstrecken, ist durch folgende Fonsal gegebenι

in dieser Gleichung ist G die Längo der Seiten eiiaaa jede» einseinen Kriatallkoras.

U O b 8 ί* υ / ■· ι b

... 1 _BA0

In Fig· 9 bezeichnet 1 die Gccartlünge der p-n~3chicht des Gleichrichterelencatea; die iiahrscheinlichkcit P,mit der mindestens eine Korngrcuzo sich über die Sperrschicht an der p-n-Verbindungteile über diese hinaus und parallel zu ihr erstreckt, ist in dea oinca oder anderen Bereich des Ilementca durch folgende Gleichung gegeben:

P - 1 - (1 - d/G)ⁿ _t (4)

vorin η * - ist·

Andererseits kann die Dicke d der Sperrschicht der p-n-Vcrbindungsoehicht nuherun^o^eise für die eteilo Verbindung»· atollο durch folgende Gleichung gegebon sein:

<5)

worin ε die Dielektrizitätskonstante 12 χ 10"¹² F/cn für Siliziun ist, Ji₁₁ die Elektronenbeweglichkeit 1550 Cn²AoIt·3βο· ist, / der cpczifiache Widerstand in Ghn/cm, V die angelegto Spannung in Volt, U_n die Llektronenkonzentration in Bereich der Type η und η_ die Elektroncnkonzeutratlon la Bereich dor Type ρ ist.

Bei einer Ausführun^sfom des Glelchrlohterelement· nach der Erfindung mit olne- opozifiocben Widerstand ton 50 Oha · ca und einer angelegten Sperrspannung von 50 Volt erhalt nan ein· Sperrschicht mit einer Dicke von 25t4 p» vle sie sieh aui der for-^ (5) erßlHf

Q I 8Q BAD ORIGINAbH-

15U224

- ;17-

Eer 2unanoenliang zwischen der angelegten Spannung und der Sperrschicht ist in Fi?j· 10 für verschiedene apozifiacho Tiideratüml© ^raphisch dargestellt.

Iat die Wahrscheinlichkeit P_t mit der ein Kornrand sich . über die Sperrschicht an der p-n-Vcrbindungsstelle hinaus und parallel zu dieser erstreckt, kleiner als 0,1 bzw. ist

P<0,1, (6)

dann hat sich ergeben, daß dio Gleichrichter aus einem solchen polykristallinen Siliziua mit Hilfe der Diffusionsmothode mit praktisch der gleichen Ausbeute und Qualität in liasaenhersteilung produziert werden können wie bei der Massenherstellung Donokri3tallincr Gleichrichter, Hit Hilfe der obigen Gleichung kann nan die erforderliche l'indestgröße der Kristallkörnchen errechnen.

Bei dem obigen Beispiel eines polykristallinen Gleichrichters nit cineni spezifischen widerstand von 30 Ohm·cm und einer angelegten Sperrspannung von 50 Volt, ergibt sich die erforderliche HindestgrUlBe für die Krlstallk^racr zu

0 - Λ-. .254/,· (7)

teil die Dicke d der Sperrschicht 25,4 Mikron in dieses Falle betragt.

Mit anderen Worten» es kann festgestellt iard@n, daB die Gleichung (ύ) erfüllt let» nenn das ßXöiofcri^^r^ateriel eine Mindesf^rS^e aufs#1 ei, wie sie ßich au· Fotml (?) ergibt, ieil, der Hext fü? & ia forwel_C4) praktisoli kti&#n iö hohdn iüs die

3 0 3 8 A Ii ^; ;j "i S Q BAD

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tatsächliche Gleichrichterdi^cnnion L anninrat, nie sie für don Bereich der Stronkapozitüt erforderlich ist, der bei Anwendungen gefordert ücrdca nuß, auf ti eiche sich die vorliegende Erfindung bezieht*

Bei Seracksichtigung der rtüglloheii Zufälle bei den Verfahren den Kriatall-achstu^ ausgerichteter polykristalliner Materialien, gelegentlich Xristallkürnor zu bekommen, die beträchtlich kleiner sind als die auogerlchteten Kristalle der geminschten Größe» sieht nan cus den in Fig« 10 \?iedergcgobenen Verhältnissen, daß die Verwendung polykristallinen Siliziums ganz besonders für Gleichrichter zu enpfchlen ist, die höhere Strosiaus ün^e und niedrigere Sperrspannungen haben·

Für derartige Gleichrichter mit hohen Ausgangsstroni und niedriger Sperrspannung nuß nan denjenigen Slliziuomaterial den Vorzug geben, solches einen begrenzten spezifischen '..!derstand aufwoiot. Bei eolchcn Gegebenheiten hat die operruchicht en der p~n-Verbiridungs3telle eine geminderte Sicke. Die Dicke d der Sperrachiciit ist auch iafolgo der niedrigen umgekehrt angelegten Spannung (Sperroponnung) reduziert· Unter diesen Umatündon wird es deutlieh_f da3 dl* ^hrcoheii&lchkcit. nit &ex eich ein Kornj&nd ikhzt die sperrt chi obi an der p~n-Yerbindung»>» stelle und praktisch parallel m dieser erοtreckt_c In zufriedenstellender i.eiss hc-rsbgesetst wordaa kann·

Andererseits benötigt mm sur EyKltlung einer

>mg *fat or ι Ulm Kit «insa höhertn

u,,,._U/ - _BAD

cpczifIschen ttider«tond, τνη3 natürlich 2U einer grüneren Eicko der Sperrschicht im tfusa^ncnhang mit der höheren angelegten Sperropnnnun« cUht. Unter ditscn UnstUndcn rau2_f wenn ca ervUnscht iat, die Wahrscheinlichkeit herabzusetzen, mit der oich ein Korn über and praktisch parallel cu der Sperrschicht an flor p-n-Vcrbindunsostello erstreckt, die Cr'J-n der i'rintallkörner in deni polykristallinen T-^Tatorlal CRtoprcüicnd erhöht werden, so da3 sich letzten Indes eine nonotariatalline Struktur ergibt·

Die Herstellung einer Stacgs aus einsE Ilnkristall ist indessen nicht iaacr eine notvicnilige Voraasaetsung iur die Erzielung einer holic-n rurchbruohosporri?«^!^.»!», πύ\ *Λη© poly« kristalline 3tar.^e ochon den Xweck erfülloa kxmi_s voraiisgeaotzt_t die darin enthaltt^:ne^ri Kristallktfrncr habea eino GriJiie, die nicht geringer ist als ein ganz apocioller "Wert, wie er sich aus den obigen Beziehungen, Verfluchen und den an sie anknüpfenden Betrachtungen crjlbt«

Insbesondero nuß das Glcidirichteraatarial, ionn es sich um Gleichrichter ϊάχ niedrlgo Spannungen und hohe Stromstärksn handelt, nux eine Hindestkorn^rüße habeu, ^i^ sie sich aus der Gleichung (7) ergibt, und naa braucht koineswögs die teuren monokristallineu Materialien zu verarbeiten·

So braucht man beinpiolcweioe für die Gleichrichter, »it denen son Krnftfahrzeugbattcrien aufladen kann, eise "indest-DurchbruchQspcrropanaung von 50 Volt auf Gr^d prak^'"aher Er- -

«■". f I5atteilt _v-. ^i,,,,:,;; iu ',."-,·■> v.:· v¹·. . ' - r ;■

- ^{9 8} ' _BAD ORIGINAL

kleinere 7ajen 12 Volt und fur gr32cre iTa^en 24 Volt beträgt· Fur solche Gleichrichter schlügt die Erfindung die Anwendung polykristallinen Siliziuaa vor, welches nach den obigen Herst ellun^svor sehr if ton fabriziert worden ist und se«en seiner geringen Herotellunsokoston vom wirtschaftlichen Standpunkt aus sehr zu empfehlen int.

In diesen Zusammenhang sei erwähnt, daß die polykri stalline Gleichxichterbaois nur erforderlich ist, um einen Verun-

l von ©inera Teil je Million Teile oder weniger erzielen utid un einen spezifischen Widerstand von nicht weniger al3 einigen Bruchteilen oine3 Ohms zu bekommen, wodurch nan eine DurchbrächeSperrspannung erhültj,. die für solche An-

völlig ausreicht·

Gbv.ohl ölen gesagt worden ist« daß 03 bekannt sei_f daß die Lebensdauer der Hinoritlitstrager in des polykristallinen Hat trial kleiner ist als diojenige der Einkristalle» hat es sich doch als notwendig erwiesen« die Bedeutung der Lebensdauer der Minoritätstriiger zu erklären, un die Wirkungsveise der polykristallinen GlelchrichtereleTsente, die nach der Lehre der Ijrflndung her^cateilt oind» besser stu verstehen· Die Lebensdauer von polykristallinen! Material kann Bit an sich bekannten Methoden emittelt «erden, beispielsweise durch Messung des Umfange des Abfalls der Fotoloitfähigkeit nach Bestrahlung mit sioduliertas Licht· Dabei ist gefunden worden, daß der Wert für die Lebensdnuer_t der nit Hilfe einer solchen Methode ermittelt worden iet_t

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mäßig weiten Bereich erstreckt, der eine groLo Anzahl einziger Einkristalle enthält·

Andererseits ist gefunden worden, dtxZ in allgemeinen in einea Gleichrichterelesient mit p-a-Schicht» auf welches sich die Erfindung bezieht, die Lebensdauer äei Minoritätsträger, welch* den Sperrstrom des Gleichrichters bestirnt und die eine der sichtigsten charakteristischen Großen fur die Praxis ist, tatsächlich diejenige in Bereich der Sperrschicht ist, welche sich in dor liiiho der p-n-Verbiadungsschieht und in Zuordnung zu der angelegten Sperrspannung bildet, und nicht eine durchschnittliche Lebensdauer für einen größeren Bereich außerhalb des Gebietes der Sperrschicht an der p-n-Vexbindu&gsstelle ist·

Bezüglich jedes einzelnen der individuellen Kxistallkürncr in dem polykristallinen !/aterial ist zu sagen, daß es tat« sachlich ein einzigor Kristall iet, der you dea benachbarten Korngrenzflachen begrenzt oder ungeben ist, und infolgedessen besteht auch kein Grund dafür, daß sich die Lebensdauer äex Minorität8träger innerhalb eines solchen klolnea BiEikristalls γόη derjenigen einea Linzelkriatalle uiitsifee.hel.JgL sollt©» der grü2ore Abaeosungcß besitzt*

Ein .anderes vecentlichea ?-forkmal bei der II»rη teilung poljkriatalliner Gleichrichter nach to Erfißduivi U\ &ib Methode der Beifügimg τοα Verunreinigungen %u 4*s j^lykatlitailinen SiIi* fiua₉ deren

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Bei dea Verfahren nach der ärfindung wird daher von einer ßiifunioa im Testen Zustand Gebrauch f, en acht, die ein vorteilhaftes Verfahren der Beifügung von Verunreinigungen zu den polykristallinen Silizium darstellt, welches von Standpunkt der fabrikatoricchea Herstellung besonders vorteilhaft ist. Für den fall, daß Verunreinigungen in einea Einkristall hineindiffundiert wurden, ist die Konzentration C der Verunreinigung in . einer lutferniag X von der Oberfläche gegeben durch die Formel:

C-O_n exfto (-4=? ). (8)

2/St

worin C₀ dio Gbcrflilchenkonzentration bedeutet, D die Diffu-

c, die cino Funktion der Diffuaionotemperatur lot, t die Diffusioiisceit und erfo die Fehl er funktion darstellt· Die Diffusionskonotante D ist durch folgende Gleichung gegeben:

D - D₀ exp C-1ÜL) (9)

⁰ k?

Xn dieser Gleichung stellt A Q did AkUviemngsencrgie in ülektroncuivolt dar« k die I'oltziiaari'soho Konstante and T- die absolute Temperatur.

Seim iliaeiadlffu-vKsren von Verunreinigungen in ein poiyksriöialljküüö i.'ate3iial kul ale ki^hoLsmig a-i Wobaöhtün» daß die Verunreinigungen lijigs der Koragrcnaöö schneller öiBdiffündieo ren ala durch die ubiigsa Teile der -iriatallkorner selbst. Über

oo diea«f3 speKidlle I'huüöit&a ist in sinigesi Äufaütsea baisiti be- ^ richtet SOXdHH₉ beiapieiaviCsie«? Iv foigendaa VerufietttÜohuQgent,

-* ^!ii "iiiuKiioo, along l'.-:;*:l->auaU-· ^i;^idn Coimdsfies la

.Hf '-'· >&. Λ .a ), BAD

2) "Calculation of Piffuaion Penetration Curve for "ujfaco

εη-i Grain Boundary Diffuoion" von J_#C, Fi eh or, Jou/rnal of Applied Physics» Sind 22, Ko. 1 (1951).

3) "Grain Boundary Diffusion" you i_rtL.* Auatla und .^,iLIlioh

Journal of Applied Physics, Band 32, i.^ro. 8 (1961).

Au π diesen Tiitaaclicn erriet r;leli,. daß ^o in '* »π^ Füller* erforderlich ist_f Λ^γ Lirruoiukskc^uiuitufc i.a U^a BCln (8) und (3) cinoa Viert zu gcTacn* der ^e^cnübcr d

Iit_t dir i& ^le^ voly

durch I/if£urica la festem "^.r^id CTvcu^t ^z.^.i durch Diiioiiicci γοα 'Verunruläi^^iijeii, aio jju nin ^ea Schieb* fithxon kain» vie na?i die3 aus Fi^. 11 c-*a!.-^*.,

Die-sc-a Ijr^etnis ist ia Jig· 11 dargeatüllv_e yob gccctzt i3t, daß pan ein Cleichrichterelenent auch mzh vater der Bedingung erhalten kann, daB

M^t₁ do

TBoria t die Picke des polykriatallinen Plättchens β©3 polykri3tallinen Gleichriohterelenentos bcüeichnet und Id ^i© ßrößt Auadehnun« von Blffu3ionen von Verunreinigungen, dl© lungs der Blinder des Kornea enaicht cordon int. Perartige ungewöhnlich© Unre^eXraüfiiskeiieü in der Diffusion von Verunreinigungen, wie sie in Fig_e 11 ^icdcr^o^chcn eind, eollto ^in "ben-εer ?ΏΓΏβ*οΰη₍.

D i 3 e /, C ^;:· O

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weil oic dazu fahren, daß das Herstellungsverfahren τοη Gleichrichtcrclemcnten praktisch unkontrollierbar wird.

Zur lö.iußj dieaes Problcrao schilt dio Erfindung folgende Maßnahmen vor. Die Diffusion von Verunreinigungen ist durch die Korn^rensflLcheri hindurch vorherrschend, wenn dio Diiiucdaistenporatur verhültiiisciüCi^ niedrig ist, es iat aber gefunden worden, daß bsi ansteigender Diffusionstemperatur die Diffusion durch die Masse οJor durch andere Teile als die Korngrenzfluchen bindursh vorherrschend wird· allerdings kann dio 'DiifusionstGnpcratur keinesfalls über don 3chaelzpunkt von Siliaium, der Lei 1420⁰C liegt, angehoben yerden· Biese Erscheinung ist in Fig. 12 schematisch

Unter iiezugnahrie auf Fig. 13 soll nonrachr ein praktiochea Beispiel für eino p-n-Verbindur.gsschicht beschrieben werden, die durch Diffusion von Verunreitiigun^on, die einen anderen Leitfähigkeitstyp auf v/ei aen, entgegengesetzt demjenigen des Plättebons, in ufxo polykristalline Plattchen hinein gebildet wird· In £lg. 13 bezeichnet das Bczugszoichen LO dea Abstand der p-n-Verbindungsschicht von der PlättcheaobcrflUche, cena diese Verbindungsschioht durch Diffusion durch die KorngrensflUche hinduroh vorgecionincn worden iot, wahxenüL das Be^ugozeiohea L3 die Entferuung der p-n-Vorbirdungsschicht von der Oberflache bezeichnet, uerin die Diffusion durch die gesantc; Masse des !Materials hindurch erfolgt ist· definiert man das Vcrhultaia von LG au LB, d.h_# also LGAb ein t'ne Hadienfunktlon f_i; welche die

η ι h ■■'■

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keitcn odor die Unebenheit der p-n-Vcrbindungaschicht darstellt, dann int der Ictraß der Fliichenfunktion iß starken Ausxaaä durch die Diffusiönstoperator, aber auch durch die Hffusionszeit beeinflußt« Mit andern Porten, «ird die Diffusion bei einer niedrigen ?c©peratux und wthrf.nd einer kurzen Zeitspanne durch» geführt, ua eine beträchtlich begrenzte Diffusionalijige zu bc~ koanen, dam herrecht der Effekt der Gr cnssf !ionendiffusion bei der Hldun« der p-n-Vcrbindim^ßßchicht vor, ua eiao ausoeapxo· chene Unebenheit zu erzeugen· Dieser Effekt ^ird cehr rasch vermindert, un die Unregelriiiuiskeitca der Schicht zu Ycrringern, die ran erhält, wenn die Diffuaionsteopcrntur erb slit und die Diffusionszeit ferlüngert wird.

Diese Zusannenhiiugo sind quantitativ in Fi_t> 14 «ieder- ßQgGhcn.4 .;ie rau aus dieaci Fi^ur ercieiit, besteht eine Tendenz dafür, daß das Verhältnis LO zu LB, d.h. also die !lilahenfunktion P, rapide bis auf den IVcrt 1 abninnt, r»Qnn die Diffuaionateniperntur l230°u ütcröohreitot und die Diffaaior--.;Gi$ aehr als 5 Stunden betrügt· Bei liochfrcquems-Transiiotüren lut die Diffaoionslijißi w%% Hücknicht auf die Breite ürr?*;¹ Bi:x;.:^v ?.nt einiga Mikron boseht^kt*. in Gegensatz düj&u be.··,·*!;■ iih. ■ lJ. xiohterolcnente für /Icchnelotroasensratureii ZQx ^'i'^ft auf welche inch dl© Iillndiia^ gmt b«jaoa<it-i^ bos^-m^ eolch® lßiiQk:i^:r,w,g hiz^hilioh um MfP^r'.'irnü.'■''.■·■*. "4® Falle toa Hociili-^iiu^-liumlsim^u^ ι&Λ :■.·:.-all . w. -.saa

15U224

im Vergleich zu einer ochicht in einen Einkristall verhsltuia-WLÜiig eben ist, im «cge der industriellen Fertigung durch Diffusion unter vollständig kontrollierbaren Verhältnissen dadurch erzeugt worden, dafj nan mit einer entsprechend angehobenen difusionstecperatur von beispielsweise 128O⁰C und einer entsprechend ausgedehnten Diffusioaszeit von beispielsweise 16 Stunden arbeitet.

In Fig· 13 ist der Zusammenhang svischcn der Diffusionstenspearatur und der iffusionszeit für verschieden© Werte der Flusheafunktion F an dem Beispiel der Diffusion von Bor und Phosphor in Silizium dargestellt« weil diese beiden Eiescatβ praktisch die gleichen Diffusionseigenschaften haben« Dabei sei allerdings bemerkt« da3 die Diffusion anderer Verunreinigungen als dia dieser beiden Lleraaitc annähernd deu gleichen G«30tzlijkelton folgt, «ie die der beiden dar^eatelltea

In ίΊ(3· 15 ist auf der Ordinate die uiffusionazeii von

Phosphor und Vox in S D:if*7uollor»iitcnpe?atur

hinein μγΛ s?if der

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U224

g der !iiffu3ior.3itnperatur ist ea voi Strindp der fourikatoriochcr* Herstellu:.»:] nus in allein einen ti-.^icljl wc-rt, cine Höflichst hohe Temperatur und eine £ür dca ι«aitischen Ictrieb ge ei si ic te Temper stur zn tfVh^Lva, τ:ο1λ -IX? ^lffuna^e^clr.iin-li^kcit ;dt der Di f fusions temperatur ζ'Λ&Ι,τΑ*

Die Tenpcratur kann al.so auf dicijo .i'oice sehr woM M«? i/a die

ki.cä voa ^üii;iur,:_s d_u^ Ι..Λ 14Lw⁰J, „_ilt;_;.;.■ ■;■ Li ■werden. Pralrtischo Verbuche habüa indoawCr, rorci^t, dau "bei

npuratii.r·?:;, über '310⁰C dy.:: i-j.li.·-;^:/· ί L..!ι-dj ;■.) icii wird, da- os eich durchbiegt, wodurch sich uanpii bei den ,aachfoloaick;:; V-t-rf ^ *??-,:-, eier Gl ■> ~Vri<^<: -^r -; -^Λ: gcbon. Z'j ist dahci »:ri'yrdi:ri.icii_t in ^j.a;;:.ti

l' di-

nicht

Zur Krsiclung 70a IIochctröc^
eich die rorlielende ".'.rfiadurig In erster Linie ϊί .'lebt, ist es erwünscht» In die ölen- i'lUche and in die E3deuf2;xhc Vcjru^rülnigunßcii einsudif fundier en, die irj Ginac o.or 12.13un,3 entsprechender Halbleiter vdrksar» cind, die ciu^ä untercchlc^llchör. Lcitfilhic^citstyp aufweisen, '.!it atderen wollen, og lsi er- «ünscht» durch die eine Flüche der iiiliciuT.baaiß ei:,ü Vtami'sjlniiiuns cinzudiffundieren, dio eiaen Lcitf.'ihinkoi'isijp licicf.it» aex denjenigen der Siliziumba3is ent^e^cn^erietst ict, bcisplola

weiae un eine p-o-Verbindungsachicht zu Gri;cugeii,_; -* hrr,?il isac

durch diö andere C'bcifluche der Easio ..*:. ^ndey ■ ^v r■■■■.■?!. ί i:!';iUffuiv!ier

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BAD

15U224

ihn die Siliziumbaoio aufweist. Geht ran so vor« dann ergibt sich, da£ der ObcrflHchemidcrstand Hot Ba3is und damit der niderstand derjenigen Bereiche des Gleichriohterelenentes» die mit den Elektroden verbunden sind, verringert werden kann· Eine derartige sogenannte Doppeldiffusionsn&thode uirkt also im Sinne einer Herabsetzung des Spannungsabfalls und darit der Wärmeerzeugung infolge des üiergieverlustes» speziell bei Anlagen für QTO-Q Stromstärken.

Fig. 16 zeigt Ir Querachaitt einen Gleichrichter mit einer Siliziunbasls voa 'i^rp n» die einen spezifischen widerstand

-cm

von 50 Uhr/hat; in den Gleichrichter sind Verunreinigungen durch die oberste Fläche und durch die Bodenfläche hineindiffundiert uorden. In dieser Figur bezeichnet daa Bezugszeichen L1 die Dicke der Schicht» die mit Phosphor eindiffundiert 1st und das Bezugszeichen L2 die Dicke der Schicht» die mit Bor eindiffundiert ist.

Angenommen» es handele sich um eine praktisch wirklich vorhandene maximale Sperrspannung von 50 Volt für Gleichrichter von Kraftfahrzeugen» dann ist dl« Dicke der Sperrschicht» die durch Anlegen der Sperrspannung an der p-n-Vcrbindungaachicht hervorgerufen wird» annähernd 25 Mikron stark» und denentsprechend nuß der Abstand W wischen den beiden Diffueionsschichten mindestens 25 Mikron betragen· Dl· Dioken dies« beiden ilffu-■ionsachichten ntissen in der Praxis tatsächlich au LI ■ 60 ^i und 12 ■ 50 ;x gekühlt ti erden. Ui einen Gleichrichter tu bekennen» in «eichen keine Kollision *wl sehen den Spitzen tveler

009840/0160 ^ _0RIQ1NAL _₂₉_

Diffuoionasohichtea cuftritt, nu3 in dinjun·] erfallt sein:

(F - 1) (L₁ +I₂) ^ »7

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folgende Be-

(11)

oder

L* + L₂

Da in der Praxis die Dicken 11 - 60 μ und L2 ■* 50 μ bevorzugt werden, ist

(F-D-C—25—

60 + 50

und infolgedessen

(F-1X0,22 (12)

oder F < 1,22 (13)

Dicο iat eine weitere Voraussetzung die erfüllt sein muß, wenn der Eifimhmssgeseaatand praktisch ausgeführt werden soll·

der Biffusionoseit gütj, daß düren Hcichatrcert für eine wirtochaftliche iaduatriells Fertigung anaü Stunden betragen muß·

Aueh bei Einh
da« dl θ Bereiche fib¹·

iUest? IkCii.,;j-wj,δ

;sb t^achica.

ml

u -iur^t lit I-j1

im Kurve te F * i_?22

OG SS 40 ^;0 16.0

BAD

t?orin T die Diifusionsteinpcratur in Crad Celsius und t die EiffLiaionascit in Stunden int. Ein i&nlicher Zuasmnenhang gilt auch in dea Fällen, in denen eine andere Kombination von Verunreinigungen als die aus Phosphor und Dor benutzt wird·

Iw folgenden soll oin praktisch ausgeführtes Bciopiel des ijrfiadungsgegcustandes im einzelnen uLhor beschrieben werden·

Ein Siliziurwaterial großer Reinheit, welches durch thermische Zersetzung gewonnen \-ar, \surde einen einzigen nurehgang einoa Zonenochnielzv erfahr er*3 bei einer sehr hohen berechneten Geschwindigkeit von 5 bis 10 mm je Minute ausgesetzt, ua eine polykristallin Stange π it geradliniger Ausrichtung und 20 mm Durchmesser zu bekomnen· Dieses geracilinig ausgerichtet© polykrietallinc ''atcrial kann durch theraischo Zersetzung von Silangas, SiIiziuntotrnchlorid, Silizluatrichlorid, Silisiuajodid oder ühnlicbe Substanzen erzeujt werden· Zunächst wird ein SiliziUEi3tab hoher Reinheit mit einer länge von ungefähr 60 cm und einem Durchmesser von ettm 3 m in ein Gefäß gelegt« und an den beiden Enden der Stange wetrden Elektroden angebracht, durch dio ein Strom hindurchgeleitot »ird_f uia* den Stab auf etwa 1100⁰C zu erwärmen· Auf den erwärmten Silielumstab wird Siliisium hoher lioinheit» «olehea durch thoralscho Eeroetzung eigner dar oben genannten Subatanson horgnr*tollt cordon iot_f bia EU ©inen Durobnesocr von yngefür 20 tsh hondonsiort» Der SiIisiunatab wird ö&na ia ein-on Quccarcbt ?on tin^eflihr JO an D\irob-

Boaaor vertikal aufgostellt wad m -wlmv ninm Sn/Ii mUntt» um über..eint Vfogo ^οώ D mi d^uroh ««. ^ohiaelsfü» da3 ein

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Hochfrequenzstron nit Hilfe oincr Hochfrequenzspule in ihn erzeugt uird, dio außerhalb des Qnarzrohres angeordnet ist. Dio Hochfrequenzspule wird Iüng3 dea Quarzrohres nit einer Geschwindigkeit von je 5 πα je !'inute oder achr belogt, nit den Ziel, eino Zoacnschnclsung und danit eine Stange nit gerade gerichteten polykristallinen Material au bekonnen· dieses Vorfaliren erfordert lceinerlei Keiaung von Einkristallen, und man kann sit ihi3 die Bchandlungszeit und donit auch dio laufenden Kosten für das Ger-t erheblich gegenüber den Kosten herabsetzeni die im Falle der Anwendung herkönnilicher Verfahren zur Herstellung von Finkristallea aufgewendet werden nüssen· Die auf diese Weise hergestellte Stange au3 gerade ausgerichteten polykristallinen Silizium des Typs η nit einem spezifischen Widerstand von 50 Ohm wird dann in Scheiben geschnitten, deren Dicke etisa 320 Mikron beträgt und bei denen die äbene der breiten Flüchen praktisch senkrecht der der Löng3ach3e der Stange verlauft· line solche Scheibe wird dann in einem Ofen bei 11QO⁰C einer Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt, vährcnd andererseits Fhosphorpentozyd auf 320⁰C erhitzt Olrd, ua Phosphordaiof su. erzeugen, der für die Dauer von ctaa 25 Uinuton in dem Ofen eingeleitet vird, um Phosphor aus der Dampfphase auf die Oberflächen der ^iliziunscheibe niederzuschlagen· Die Siliziumscheibo vird dann weiter für die Dauer von 20 Stunden auf 1280⁰C craünat, ua den Phosphor durch die Schcibenoberflachen hinduroh bis in eine Tiefe von annühornd 30 L'ikron hinoinsudif fundier en· Die Scheibe wird dann tarn etva 70 Mikron heruntergeläppt, und zvar nur auf einer Ober-

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fluche, und diese seülppto Schciber.oberilüche ttird dann rsit . eiavr 'Ilaclnras von Boranhydriä, D₂O- und «iithyiemonoglycol überzogen. Dio aberzogen© Scheibe \?ird darm x&edcr auf die Dauer von 24 Stunden auf einer Temperatur von 1200⁰C gehalten, Urs daa Bor bis su einer Tief ο von annähernd 60 tflkron einzudiffundieren· Hierauf wird die Silizium sch eile ua ett?a 25 Mikron auf beiden Fl^chci hcruiitorgolüppt, um Bchüdliche Oberflachenflchichtcn zu entfernen.

Die so erzeugte Siliziunscheibe, die eine Dicke von 200 Mikron hat, v.lrd dann mit ilickcl plattiert» und aus der nickel« plattierten Scheibe wird ein quadratisches Stück von 4 oal 4 cm Kantenlüige herausgeschnitten» um ein Gleichrichterelenent zu bekommen» vie es in Fig, 17 dargestellt ist« In Fig. 17 kenn« scichnet ds3 Eezu^szeichen P die polykristalline Siliziuascheibe und die Bczugczclchen X und Y die entsprechenden Schichten mit den oindiffundicrten Phosphor und Bor· -Ic elektrischen Eigenschaften diesc3 polykristallinea Gleichriohtorelementes sind in Fig· 18 wiedergegeben, in dor auf der Abszisse die angelegte Spannung und auf der Ordinate der Gleichstrom aufgetragen sind·

folgenden soll oine praktische Anwendung des i-rfinduDgeg&genatandes unter Bczu^natae auf Fig· 19 beschrieben werden· Caa polykriotalline Silisiunglelchrichterelcaent nach der frfindung eignet sich ganss besonders für Anlagen nit niedriger Spannung und hohen Stromstärken, bei denen ein· mgekehrU Span*

nung auftritt« die nicht höher lot ala 1S0 ToIt und ein Stroa,

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dor nicht kleiner lot al3 1 Anptre, und unter anäores für dio Stromversorgungsanlage und die Batterieladeclnrichtung von Kraft fahrzeugen dient.

i3ei der Einrichtung, deren »Schaltbild in Fig. 19 wiedergegeben i3t, sind Glcichrichtcrleaeute nach der hrfLadung in eine elektrische Stromversorgungsanlage und in die I-iiirichtuüg gun Auflodoa der Fahrzeugbatterie für Kraftfahrzeuge wiedergegeben. In diener. Figur iat nit 101 ein racciphasen;:echcelstrongencrator bezeichnet, der von dem Automobilmotor über einen Kienen od.dgl« angetrieben ist, während die Eozu^aziffern 102 und 103 die Gleichrichter kennzeichnen, von denen jeder ein. polykriotallinea Siliziraaleichrichterelenent der oben boschrie» benen Form auf'» ei at. tfio rnaii aus der Figur ersieht, iat ein Satz von secha solchen Gleichrichtern elektrisch rutoiaander verbunden, um einen dreiphasigen VollMog-Oleichrichtcrlcrois 2U bilden» Das Bezugszeichen δ kennzeichnet oioa Akkuraulatorenbattsrie_f -die an den ilusgaußsklöainea -Ίοο Gloichricbtcrkrciaoa liegt_t und mit 104 ist di® Bclaatuii^ bezeidract*

Dies ο Schal tanordnuxig eitachlio.^r.lich der pol. ν kristallinen Sillziüüi^lcichrichterolcfaente άζχ oben, besohrifbinci Art kann billig hergoskellt werden» trotz der rrtsaclrey äuB -Ao sechs 4martige Gloichrichtcrolen^ate e^thiilt* in» '-■■τγ"!'':!,^ j^ ict k'*?nilu:tu Anordnung ^i * ©in^ iloidif^T"· ■■>;■-■ -io^r/ ■■■>; w"' ^;"f"

Q 1 ^t: 0 _BAD ORIGINAL

dauerhafter und bstriebasichercr ist, -3OiI aio keine rotierenden oder oufeinanäerkleitenden Teile enthalt, wie sie bei dca Bolaia und ά&ι Kommutator einer AnIa^o mit Gleichstromgenerator erforderlich 3ind· AuCerdei besteht bei dieser Schaltungsanordnung keine Hot;vendißkeit dafür, einen Teil des Ladeopannungsberricho ia der £ühe oeiner uateren Grcnao abautrennen, w koin Hysterese-Effekt wie bei eines Kclaia aurtritt, so man auch dadurch eine:i höheren 'iiirkungssrad dca La erzielt· Aua diesen Darlegungen dürfte nit aller Deutlichkeit hervorgdiea, daß dio neue Vorrichtung mit Gleichrichtorn der Lrfindun,·; aujxrordcntlich gut für die Stronverco Ιεβο und das äattexie-Ladcayatcra voa iirßltralirzougea ist·

-35-

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O09Ö4Q/01S0

Claims

; -35-

¹ Patentansprüche :

! 1. Siliziumdiode mit einer p-n-Übergangsschicht, da-

j durch gekennzeichnet, daß sie aus polykristallinem Silizium j aus etwa parallel zueinander liegenden langgestreckten Kristallen besteht, die etwa senkrecht zur Ebene der p-n-Übergangs» I schicht ausgerichtet sind.

ί 2. Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioden nacn ^; Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Stange aus I polykristallinem Silizium, dessen Kristalle langgestreckt ure. I in Längsrichtung ausgerichtet sind, in an sich bekannter Weise ί quer zur Kristallisationsrichtung in Scheiben schneidet und ': die Scheiben von einer Schnittfläche her mit einer Verunreini-I gung dotiert, deren Leitfähigkeitstyp den des polykristallinen j Siliziums entgegengesetzt ist.

i 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß man. Silizium mit einem Verunreinigungsanteil eines Leit- : fähigkeitstyps von maximal 1 : 1000 000 verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die"Siliziumstange mittels des an sich bekannten Zonenschmelzverfahrens unter Verwend. ng eines polykristallinen Keims herstellt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Scheibe von den beiden einander gegenüberliegenden Schnittflächen aus Verunreinigungen von je weils einander entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp eindiffundiert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen bei einer Maiimaltem-

009840/0160 -3⁶"

η (ΑΠ731 Ab,.? N ^ ·- ' ' .!-· ^^.v * η 1"m,

15ΛΛ22Λ

peratur von 134O⁰C eindiffundiert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen mit einer maximalen Diffusionszeit von 100 Stunden eindiffundiert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch

gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen bei einer Temperatur

T t

und einer Diffusionszeit r- eindiffundiert werden, wobei

T- (1280 - 70 log t).

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3?

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